03 Fakultät Chemie
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Item Open Access Experimental and computational phase studies of the ZrO2-based systems for thermal barrier coatings(2006) Wang,Chong; Aldinger, Fritz (Prof.)The ZrO2-based materials are practically important as the thermal barrier coatings (TBC) for high temperature gas turbines, due to their low thermal conductivity, high temperature thermal stability and excellent interfacial compatibility. Studies of the phase equilibira, phase transformation, and thermodynamics of the ZrO2-based systems can provide the necessary basic knowledge to develop the next generation TBC materials. In the thesis, the systems ZrO2 - HfO2, ZrO2 - LaO1.5, ZrO2 - NdO1.5, ZrO2 - SmO1.5, ZrO2 - GdO1.5, ZrO2 - DyO1.5, ZrO2 - YbO1.5 and ZrO2 - GdO1.5 - YO1.5 were experimentally studied. The samples were prepared by the chemical co-precipitation method, with aqueous solutions Zr(CH3COO)4, HfO(NO3)2, and RE(NO3)3×xH2O (RE=La, Nd, Sm, Gd, Dy, Yb) as starting materials. Various experimental techniques, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electron probe microanalysis (EPMA), transmission electron microscopy (TEM), differential thermal analysis (DTA), and high temperature calorimetry were employed to study the phase transformation, phase equilibria between 1400 and 1700°C, heat content and heat capacity of the materials. A lot of contradictions in the literature were resolved and the phase diagrams were reconstructed.Item Open Access High rate electrochemical dissolution of iron-based alloys in NaCl and NaNO3 electrolytes(2002) Wagner, Thomas; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)With the investigations presented in this work, the reaction mechanisms and principles of steels upon the high rate electrochemical dissolution in activating NaCl electrolytes and passivating NaNO3 electrolytes are revealed and the role of anodic surface films developing at the substrate surface is included in schematic dissolution models. For the development of accurate dissolution models, mask-less Electrochemical Machining (ECM) experiments with the flow channel cell at high electrolyte flow rates (up to 7 m/s) and current densities up to 70 A/cm2 were carried out in combination with following ex situ surface analysis. On the basis of these experiments a satisfactory dissolution model for heterogeneous steel substrates is presented, with special respect to the influence of local turbulences in the flowing electrolyte. To specify and characterize the electrochemical behaviour of the examined electrolyte / substrate combination, polarization measurements with the rotating cylinder electrode(RCE) are presented.Item Open Access Mechanische Spektroskopie an dünnen Kupferschichten(2001) Hagen, Joachim von der; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)In dieser Arbeit wurden erstmalig dünne Kupferschichten, die für die Mikroelektronik von zunehmendem technologischen Interesse sind, systematisch mit Hilfe der mechanischen Spektroskopie untersucht. Dabei handelt es sich um eine empfindliche und zerstörungsfreie Messmethode, mit der man Informationen über Defektstrukturen in der Schicht und in der Substrat/Schicht-Grenzfläche erhalten kann. Darüber hinaus wurden die spektroskopischen Ergebnisse ebenfalls erstmalig vor dem Hintergrund der thermomechanischen Eigenschaften dünner Schichten diskutiert. Die Voraussetzung hierfür wurde durch eine apparative Neuentwicklung geschaffen. Bei den untersuchten Systemen handelte es sich um Kupferschichten auf den Trägermaterialien Silizium und Saphir. Die Messungen beruhen auf der Dämpfung von Eigenschwingungen zwischen 20 bis 530°C. Daneben wird die Eigenfrequenz gemessen, aus der man prinzipiell Rückschlüsse auf den E-Modul von Schicht und Substrat, bzw. auf die Haftung ziehen kann. Es wurden vor allem passivierte und unpassivierte Kupferschichten zwischen 1 und 4 µm auf Siliziumsubstraten untersucht. Kupferschichten auf Silizium-Substraten zeigen ein breites, bei Temperaturzyklen stabiles, Dämpfungsmaximum zwischen 280 und 380°C. Mit zunehmender Schichtdicke wächst dessen Intensität, während sich seine Position zu höheren Temperaturen verschiebt. Auf Grund seiner Aktivierungsenthalpie kann dieses Maximum auf Versetzungsbewegungen zurückgeführt werden. Man nimmt an, dass die Versetzungen thermisch aktivierte, lokale Bewegungen um ihre Gleichgewichtslage ausführen, während sie an ihren Enden fest verankert sind. Als Verankerungspunkte sind vor allem die Grenz-, bzw. die Oberfläche, sowie weitere Versetzungen anzusehen. Die Relaxationsparameter der Dämpfungsmaxima zeigen, dass Einengungseffekte die Mobilität der beweglichen Versetzungssegmente maßgeblich bestimmen, wie es im Zusammenhang mit den hohen inneren Spannungen in dünnen Schichten diskutiert wird.Item Open Access Thermal cycling creep of a fiber reinforced aluminum alloy(2000) Flaig, Alexander; Arzt, Eduard (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurde das Kriechverhalten eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes unter thermozyklischen Bedingungen untersucht. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine eutektische Al-Si Legierung, die mit 15 Vol.% diskontinuierlicher Aluminiumoxid-Fasern verstärkt wurde. Fortgeschrittene Methoden der mechanischen Hochtemperaturprüfung wurden verwendet, um die spannungsabhängige Verformungsrate während der thermischen Zyklen zu messen. Speziell untersucht wurden die Einflüsse der Maximaltemperatur, der thermischen Amplitude, von Haltezeiten, des Vorzeichens der Belastung und der Orientierung der Verstärkung untersucht. Bei geringen Spannungen wurde im Vergleich zu isothermen Bedingungen eine Beschleunigung des Kriechens gefunden und der beobachtete Spannungsexponent sank auf kleine Werte. Eine genaue Analyse der Dehnungen in einzelnen Zyklen lieferte Belege für das Vorhandensein beträchtlicher inelastischer Dehnungen, die sich von Halbzyklus zu Halbzyklus gegenseitig größtenteils kompensierten. Ein kontinuumsmechanisches Modell wurde aufgestellt, das den Verbundwerkstoff durch zwei aufeinander gestapelte und sich homogen verformende Platten annäherte. Das Modell wurde verwendet, um auf Basis von berechneten inneren Spannungen die Kriechraten und die innerzyklische Dehnungsentwicklung unter thermozyklischen Bedingungen zu erklären und vorherzusagen. Die experimentell gemachten Beobachtungen wurden im Vergleich zu den Simulationsergebnissen interpretiert und diskutiert. Die beobachteten Phänomene konnten auf Basis des Modells erklärt werden. Das Material zeigte ausgeprägtes Übergangsverhalten beim Be- und Entlasten. Dieses wurde mit Hilfe von spannungszyklischen Kriechexperimenten näher untersucht. Das Phänomen des Rückwärts-Kriechens nach äußerer Entlastung wurde ausgenutzt, um Effekte der Last-Übertragung von der Matrix auf die Fasern zu untersuchen und um auf die Entwicklung der Dehnrate eines Verbundwerkstoffes zurückzuschließen.Item Open Access Genetisch modifizierte Biotemplate zur Erzeugung von Zr-basierten Nanomaterialien(2019) Eisele, Rahel; Bill, Joachim (Prof. Dr.)In Biomineralisationsprozessen aus der belebten Natur scheiden sich anorganische Materialien auf organischen Templaten (Biomakromoleküle) ab. Funktionelle Gruppen der Makromoleküle steuern dabei die Abscheidung aus einer wässrigen Lösung sowie die Strukturierung des anorganischen Materials. Dabei sind spezifische Wechselwirkungen zwischen dem organischen Templat und dem anorganischen Material von Bedeutung. Die Materialbildung findet unter Umgebungsbedingungen in wässrigen Systemen statt. Für technisch interessante Materialien wie Zirkoniumdioxid (ZrO2) stellt die energieeffiziente Herstellung präziser Nanostrukturen eine technische Herausforderung dar. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit die Prinzipien der Biomineralisation auf die Herstellung von Zirkonium-basiertem Material (ZrbM) übertragen. Hierzu gehörte die Materialbildung durch Mineralisation aus einer ZrOCl2-Lösung sowie eine gezielte Mineralisation auf bioorganischen M13-Bakteriophagentemplaten. Um die „biologische Spezifität“ in Biomineralisationsprozessen auf die Bildung von ZrbM zu übertragen, wurden Peptide mittels Phagen-Display identifiziert, die spezifisch an ZrO2 binden. Mittels genetischer Modifikation wurden diese ZrO2 Bindepeptide auf der Phagenoberfläche präsentiert. Hierdurch wurde eine hohe Bindepeptiddichte und damit viele Interaktionspunkte zum anorganischen Material erzielt. Bevor der Einfluss dieser Bindepeptide auf die Mineralisation von ZrbM untersucht werden konnte, wurde zunächst der Partikelbildungs- und Partikelwachstumsprozess von ZrbM in einer ZrOCl2-Lösung und einem Ethanol-Wasser Lösungsmittelgemisch bei verschiedenen System- und Prozessparametern beschrieben. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine Mineralisationslösung etabliert mit der der Einfluss der Bindepeptide - präsentiert auf der Phagenoberfläche - auf die Mineralisation von ZrbM untersucht werden konnte. Die Bindepeptide zeigten einen deutlichen Einfluss auf die Mineralisation von ZrbM. Im Vergleich zu Bakteriophagen ohne Bindepeptid wurde mit den genetisch modifizierten Bakteriophagen eine deutlich höhere Abscheiderate erzielt. Dieser Einfluss der Bindepeptide wurde auf Hydroxygruppen in Serineinheiten zurückgeführt. Diese führen zum einen zu einer starken Anziehung von molekularen Zr-Spezies an das Biotemplat. Zum anderen induzieren die Hydroxygruppen die heterogene Keimbildung von ZrbM durch Kondensationsreaktionen zwischen dem Biotemplat und molekularen Zr-Spezies. Somit ist es nun möglich genetisch kontrolliert Zr-basierte Nanomaterialien zu mineralisieren. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es nicht nur einzelne Phagen zu mineralisieren, sondern auch dünne homogene Schichten aus ZrbM. Diese ZrbM-Schichten wurden im letzten Teil dieser Arbeit vergleichend zu Phagenschichten und SiO2-Schichten auf die Adhäsion von Staphylococcus aureus (S. aureus) getestet. S. aureus ist ein pathogenes Bakterium, welches zur Bildung von Biofilmen, zum Beispiel auf Implantaten, und dadurch zu einem Implantatverlust bis hin zu lebensbedrohlichen Komplikationen führen kann. Die Biofilmbildung kann effektiv unterbunden werden, indem die Bakterienadhäsion auf Oberflächen verhindert wird. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, ob bestimmte chemische Oberflächen, das heißt bestimmte Materialien oder auch bestimmte funktionelle Gruppen, die Bakterienadhäsion unterdrücken können. Die Untersuchung der Bakterienadhäsion auf den verschiedenen Oberflächen ergab, dass auf der Phagenschicht im Vergleich zur SiO2-Schicht und einer Schicht aus ZrbM eine sehr geringe Bakterienadhäsion vorlag. Untersuchungen verschiedener Einflussfaktoren auf die Bakterienadhäsion zeigten, dass die Bakterienadhäsion an der SiO2-Schicht und der ZrbM-Schicht durch die Oberflächenrauigkeit, die Hydrophobizität und die Oberflächenladung beeinflusst werden kann. Bei der Phagenschicht korrelierten weder die Oberflächenladung, noch die Oberflächenrauigkeit und die Hydrophobizität im Vergleich zu den anorganischen Materialoberflächen mit der Bakterienadhäsion. Dies ließ darauf schließen, dass die geringe Bakterienadhäsion auf der Phagenschicht auf die biochemische Zusammensetzung der Hüllproteine, vor allem auf die Abwesenheit spezifischer Bindedomänen (Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen), zurückzuführen ist.Item Open Access The effect of substrate orientation on the kinetics and thermodynamics of initial oxide-film growth on metals(2007) Reichel, Friederike; Mittemeijer, Eric J. (Prof. Dr. Ir.)This thesis addresses the effect of the parent metal-substrate orientation on the thermodynamics and kinetics of ultra-thin oxide-film growth on bare metals upon their exposure to oxygen gas at low temperatures (up to 650 K). For such thin oxide overgrowths on their metals, the resulting oxide-film microstructures often differ from those predicted by bulk thermodynamics, because of the relatively large contributions of interface and surface energies to the total energetics of the various metal-substrate/oxide-film systems. To this end, a model description has been developed to predict the thermodynamically stable microstructure of a thin oxide film grown on its bare metal substrate as function of the oxidation conditions and the substrate orientation. An amorphous state for ultra-thin oxide films grown on e.g. Al, Ti, Zr or Si can be thermodynamically, instead of kinetically, preferred up to a certain critical oxide-film thickness, because of the lower sum of surface and interface energies as compared to the corresponding crystalline modification. Beyond this critical oxide-film thickness, bulk thermodynamics will strive to stabilize the competing crystalline oxide phase. For Mg and Ni, the critical oxide-film thickness is less than 1 oxide monolayer and therefore the initial development of an amorphous oxide phase on these metal substrates is unlikely. Finally, for Cu and densely packed Cr and Fe metal surfaces, oxide overgrowth is predicted to proceed by the direct formation and growth of a crystalline oxide phase. Further, polished Al single-crystals with {111}, {100} and {110} surface orientations were introduced in an ultra-high vacuum system for specimen processing and analysis. After surface cleaning and annealing, the bare Al substrates have been oxidized by exposure to pure oxygen gas. During the oxidation, the oxide-film growth kinetics has been established by real-time in-situ spectroscopic ellipsometry. After the oxidation, the oxide-film microstructures were investigated by angle-resolved X-ray photoelectron spectroscopy and low energy electron diffraction. Finally, high-resolution transmission electron microscopic analysis was applied to study the microstructure and morphology of the grown oxide films on an atomic scale. The stoichiometric (i.e. Al2O3) oxide films grown on Al{111} are amorphous up to 450 K, whereas at higher temperatures epitaxial crystalline oxide films with a coherent metal/oxide interface develop. The oxide films grown on Al{100} are also overall stoichiometric, have uniform thicknesses and atomically flat metal/oxide interfaces. They are amorphous up to 400 K, but are transformed into crystalline gamma-Al2O3 upon annealing beyond a critical thickness. At more elevated temperatures (> 400 K), a crystalline Al2O3 film with a semi-coherent metal/oxide interface develops. For the crystalline gamma-Al2O3 overgrowth on Al{100}, an unexpected high lattice mismatch (> 15%) between the Al{100} substrate and the gamma-Al2O3 overgrowth is found with a semi-coherent metal/oxide interface. The oxide films grown on Al{110} for temperatures smaller than 550 K are also overall stoichiometric and amorphous. At more elevated temperatures (> 550 K), the original bare Al{110} surface becomes reconstructed at the onset of oxidation and {111}-facets develop. The kinetics of the oxide-film growth on the bare Al{100} and Al{110} substrates can be subdivided into a initial, very fast and a subsequent, very slow oxidation stage. For the oxidation of the bare Al{111} substrate up to 450 K, a distinction between an initial, very fast and a subsequent, very slow oxidation stage cannot be made. Instead, the initial oxide-film growth rate on Al{111} decreases only gradually with increasing oxidation time. The experimental growth curves for the thermal oxidation of Al single-crystals in the temperature regime of 350 – 600 K can be accurately described by considering the coupled currents of Al3+ cations and electrons in an uniform surface-charge field. As such, a gradual transformation of the initial amorphous oxide film on Al{100} into gamma-Al2O3, was observed with increasing oxidation temperature in the range of 350 – 600 K for Al{100}, as well as up to 450 K for Al{110}. Whereas, on Al{111}, the corresponding amorphous-to-crystalline transition was found to be more abrupt.Item Open Access The initial oxidation of Al-Mg alloys(2009) Panda, Emila; Mittemeijer Eric J. (Prof. Dr.)The oxide film present on an alloy surface influences many of its physical and chemical properties, such as corrosion resistance, adhesion, electrical and thermal conductivity, friction and wear resistance. The technological demand to control and optimize these properties by tailoring both the alloy-substrate and oxide-film microstructure has led to a large interest for the thermal oxidation behavior of metallic alloys in the last decades. However, up to date, investigations on the oxidation of metallic alloys have been performed mainly at relatively high temperatures (i.e. T > 800 K) and high pressures (i.e. 0.1 < p < 105 Pa). At these high temperatures, relatively thick (i.e. in the μm-range) oxide scales, composed of multiple, crystalline oxide phases, develop on the alloy surface by sequential, preferential oxidation of the alloy constituents. The oxidation of metallic alloys at low temperatures (i.e. T < 600 K), on the other hand, has been investigated only very scarcely up to date. At these low temperatures, thermally activated diffusion of reactants through the developing oxide-film is negligibly small and, consequently, ultra-thin (< 3 nm) oxide films of near-limiting thicknesses are formed, which are generally constituted of a metastable (often amorphous), multi-metal oxide phase. However, the detailed microstructures (i.e. thickness, morphology, crystallographic structure, chemical composition and constitution) of these initial oxide films as a function of the alloy microstructure (e.g. alloying content, surface orientation), the surface pretreatment (e.g. with or without a native oxide) and the growth conditions (e.g. temperature, time and partial oxygen pressure) are often unknown. This PhD thesis addresses the initial stages of dry, thermal oxidation of bare (i.e. without a native oxide) Al-based Al-Mg alloy surfaces as a function of the oxidation conditions (here: oxidation temperature, time and partial oxygen pressure) and for different pre-treatments of the bare alloy surface prior to oxidation. To this end, first, a thermodynamic model, which accounts for the crucial role of surface and interface energetics in such ultra-thin oxide-film systems, was developed to predict the initial, amorphous oxide overgrowth (i.e. am-Al2O3, am-MgO and/or am-MgAl2O4) developing on a bare AlMg alloy substrate as a function of the growth temperature, the Mg alloying content at the alloy/oxide interface and the oxide-film thickness (≤ 5 nm). To this end, experimental or empirically-estimated values for the surface energies of the competing amorphous oxide phases of am-Al2O3, am-MgO or am-MgAl2O4 (further denoted as , and ) as a function of the growth temperature were employed. Required values for the interface energy between the alloy substrate and the competing amorphous oxide phases as a function of the temperature and the Mg alloying content at the alloy/oxide interface were estimated from corresponding expressions, as derived on the basis of the macroscopic atom approach. Further, comprehensive experimental investigation of the interrelationships between the oxide growth kinetics, the microstructural evolutions in the oxide overgrowth and the alloy subsurface and the oxidation conditions was conducted. To this end, polycrystalline AlMg alloy specimens with nominal Mg alloying contents of 0.8 and 1.1 at. % were thermally oxidized in a dedicated UHV system (base pressure < 3×10-8 Pa) for specimen processing (i.e. cleaning, annealing and oxidation) and in-situ analysis. After introduction of the polished alloy sample surface in the UHV system, first the native oxide on the alloy surface was removed by sputter cleaning with a focussed 1 keV Ar+ ion beam rastering the entire alloy surface (of 7×7 mm2). The thus obtained sputter-cleaned (as verified by in-situ AR-XPS) alloy surfaces will be further designated as SC-substrate. These SC-substrates were subsequently in-situ exposed to pure O2 gas in the partial oxygen pressure range of pO2 = 10-4 - 10-2 Pa for durations varying from 15 s up to 6 hrs and for various temperatures in the range of T = 300 – 610 K. As an additional surface pretreatment, some SC-substrates were in-vacuo annealed for 1200 s at T = 460 K prior to the oxidation. The thus obtained sputter-cleaned, annealed alloy surfaces will be further designated as SC/Ann-substrate. Real-time in-situ spectroscopic ellipsometry (RISE) was applied to establish the oxide-film growth kinetics. The thicknesses, compositions and chemical constitutions of the grown films were determined by in-situ angle-resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy (AR-XPS). Furthermore, the microstructures of some of the grown oxide films were analysed on an atomic scale by cross-sectional high resolution-Transmission Electron Microscopy (HR-TEM).Item Open Access Einfluss der Herstellungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften von Si-(B-)C-N-Precursorkeramiken(2002) Bauer, Arndt; Aldinger, Fritz (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit ist es, den Herstellungsprozess für Precursorkeramiken zu optimieren und den Einfluss einzelner Herstellungsparameter auf die Eigenschaften und insbesondere auf die Hochtemperaturkriechverformung von Si-(B)-C-N-Precursorkeramiken zu charakterisieren. Am Beispiel eines kommerziell erhältlichen Polysilazans Ceraset werden als wichtigste Parameter die Vernetzungstemperatur der Polymere, die Polymerpartikelgröße nach dem Mahlen und Sieben sowie die Press- und Pyrolysebedingungen betrachtet. Dabei zeigt sich, dass die geringste Porosität einer Keramik, die über das Pressen von Polymerpulver erhalten werden kann, bei etwa 11 % liegt. Es stellt sich heraus, dass vor allem die Porosität des gepressten Grünlings für die Enddichte der Keramik ausschlaggebend ist und im optimalen Fall etwa 7 % beträgt. Von spezieller Bedeutung ist dabei die offene Porosität. Die nach außen offene Porenkanäle werden benötigt, um während der Pyrolyse ein Entweichen der Gase aus dem Grünling zu ermöglichen. Die Porosität des Grünlings hängt von der Viskosität des Polymers während des Pressvorgangs ab und kann deshalb über die Parameter Vernetzungsgrad und Warmpresstemperatur gesteuert werden. Zusätzlich zur Dichte und Hochtemperaturstabilität werden weitere Eigenschaften wie die Hochtemperaturverformung, die Bruchzähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit von Precursorkeramiken in Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen ermittelt. Eine simultane Maximierung aller untersuchten Eigenschaften ist nicht möglich, so dass für bestimmte Anforderungsprofile Kompromisse gesucht werden müssen. Als Parameter mit der größten Wirkung auf die Eigenschaften hat sich die Partikelgröße erwiesen. Große Partikel haben einen positiven Einfluss auf die Bruchzähigkeit und die Hochtemperaturstabilität, wohingegen kleine Partikel sich vorteilhaft auf die Hochtemperaturkriechverformung und die Biegefestigkeit auswirken. Die Hochtemperaturverformung wurde durch Experimente bei konstanten Spannungen und Temperaturen zwischen 1350 und 1500 °C untersucht. Es wurde eine detaillierte Charakterisierung der Zeit-, Spannungs- und Temperaturabhängigkeit sowohl unter Druck- (bis 300 MPa) als auch unter Biegebeanspruchung (bis 50 MPa) durchgeführt. Dabei wird bei beiden Beanspruchungsarten selbst bei einer Versuchsdauer von bis zu zwei Wochen kein stationäres Kriechen beobachtet. Die Dehnraten sinken vielmehr auf Werte unterhalb der Nachweisgrenze ab. Es wird versucht, das Freie-Volumen-Modell, das ursprünglich zur Beschreibung der Relaxation in metallischen Gläsern entwickelt und inzwischen vor kurzem erfolgreich auf Precursorkeramiken übertragen wurde, auch bezüglich der Gültigkeit für die hier untersuchten Materialien zu überprüfen.Item Open Access Liquid phase sintering of SiC ceramics with rare earth sesquioxides(2002) Biswas, Koushik; Aldinger Fritz (Prof. Dr. rer. nat.)The objective of this work is to develop SiC ceramics using high refractory sintering additives which posses good high temperature as well as room temperature properties. Silicon carbide ceramics were produced by pressureless sintering of a mixture of alpha- and beta-SiC powders along with different combinations of rare earth sesquioxides and aluminium nitride as sintering additives. In order to understand the densification behaviour, the green bodies were sintered in Ar or N2 atmosphere in the temperature range of 1850 to 2150°C. The high temperature bending strength was measured under 4-point bending in temperatures between 1200 to 1500°C in air. 4-point bending creep rate measurements of liquid phase sintered SiC were also performed in air at temperatures ranging from 1200 to 1500°C with different applied stress levels varying from 50 MPa to 300 MPa. Compliance tests were carried out under a transient load of 100 MPa with a cross head speed of 0.1 mm/s in the temperatures between 850 and 1450°C at intervals of 150°C. Oxidation resistance was measured at different temperatures varying from 1200 to 1500°C in air. The microstructural development was analysed with the help of scanning electron microscope and transmission electron microscope. The correlation between microstructure and thermomechanical properties of LPS-SiC are discussed.Item Open Access Interface stability in solid oxide fuel cells for intermediate temperature applications(2007) Solak, Nuri; Aldinger, Fritz (Prof. Dr. rer. nat)Strontium- and magnesium-doped lanthanum gallate (LSGM) perovskite-type compounds and doped ceria-based materials have recently been considered the most promising solid electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) applications. While nickel metal is commonly used for the fabrication of cermet-type anodes, the rare earth nickelates, such as Sr-doped La2NiO4 (LSN), are recently developed high-performance cathode materials. For successful implementation in IT-SOFC, it is therefore essential to know the phase equilibria and thermodynamic properties for systems representing the solid electrolyte and electrode materials across their various combinations. This thesis aims to determine the phase equilibria and the thermodynamics of the relevant phases in the systems La-Sr-Ga-Mg-Ni-O, Ce-Gd-Sr-Ni-O, and Ce-Gd-La-Ni-O. Subsystems of these multi-component systems were thermodynamically modeled, based on the available literature and experimental data obtained from this work. The experimental studies were designed based on the calculated phase diagrams. A minimum number of compositions was chosen strategically to obtain a preliminary prediction of the phases in equilibrium in each constituent subsystem. Finally, the experimental and computational results were used to predict the compatibility/reactivity of IT-SOFC components under fabrication and/or operation conditions. Various experimental techniques were employed for determination of the phase equilibria such as Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray analysis (EDX), X-ray Diffraction (XRD), Differential Scanning and Adiabatic Calorimetry, and Mass Spectrometry (MS). The CALPHAD-method (CALculation of PHAse Diagrams) and THERMOCALC software were used to obtain self-consistent sets of Gibbs energy functions. The following systems were investigated experimentally: La-Ni-O, La-Ga-Ni-O, La-Sr-Ni-O, La-Mg-Ni-O, La-Ga-Mg-Ni-O, La-Sr-Ga-Ni-O, La-Sr-Ga-Mg-Ni-O, Ce-Ni-O, Ce-Sr-O, Gd-Ni-O, Gd-Sr-O, Ce-Gd-Ni-O, Ce-Gd-Sr-O, Ce-Sr-Ni-O, Gd-Sr-Ni-O, Ce-Gd-Sr-Ni-O and Ce-Gd-La-Ni-O. Using results from this experimental work and data from the literature, the following systems were thermodynamically modeled: La-Ni-O, La-Ga-Ni-O, La-Sr-Ni-O, La-Mg-Ni-O, Ce-Ni-O, Ce-Sr-O, Gd-Ni-O and Gd-Sr-O. The systems, La-Ga-Mg-Ni-O, La-Sr-Ga-Ni-O, and Ce-Gd-Ni-O were extrapolated using parameters optimized from the constituent lower-order systems. In the La-Ni-O system, the enthalpy of formation, entropy and heat capacity of La3Ni2O7, La4Ni3O10, and LaNiO3, were determined experimentally for the first time using equilibration with the gas phase, adiabatic calorimetry and differential scanning calorimetry. In the La-Ga-Ni-O, La-Sr-Ni-O and La-Mg-Ni-O systems, extended solid solutions of La(Ga,Ni)O3, La2(Ni,Ga)O4, La4(Ni,Ga)3O10, (La,Sr)2NiO4, and La2(Ni,Mg)O4 were found, and the limits of their homogeneity ranges have been established for the first time. In addition, the compound LaNiGa11O19, with a magnetoplumbite-type structure was identified, which has not been reported in the literature to date. In the La-Ga-Mg-Ni-O system, the temperature dependence of the quasi-quaternary homogeneity range of La(Ga,Mg,Ni)O3 was determined. In the La-Sr-Ga-Ni-O system, a reaction was observed between LaGaO3 and LaSrNiO4 that formed a melilite-type La1-xSr1+xGa3O7+z, LaGaSrO4 and NiO phase. Similar reaction mechanisms were observed in the La-Sr-Ga-Mg-Ni-O system. Experiments in the Ce-Ni-O system were conducted in air as well as in a reducing atmosphere. It has been found that NiO does not react with CeO2. In the Ce-Sr-O system, the entropy and heat capacity of Sr2CeO4 were experimentally determined for the first time. In the Gd-Ni-O system a eutectic reaction was observed (liquid <=> B-Gd2O3 + NiO). The Gd-Sr-O system was modeled thermodynamically based on data from the literature and the experimentally determined homogeneity range on the Gd2O3-rich site. In the Ce-Sr-Ni-O system the solid solution of (Ce,Sr)2NiO4-z was determined. No reaction between NiO and SrCeO3 / Sr2CeO4 was found. Similarly, in the Ce-Gd-Ni-O system, no reaction was observed between (Ce,Gd)O2-z and NiO. In contrast, solid solutions of Sr(Ce,Gd)O3, Sr2(Ce,Gd)O4 and (Gd,Sr)2(Sr,Ce)O4 were determined in the Ce-Gd-Sr-O system. Also, an extended solid solution of (Gd,Sr)2NiO4 was found in the Gd-Sr-Ni-O system that does not exist in the quasi-binary sections, but is stable in higher-order systems only because a solid solution is formed. It has been also found that there is no NiO solubility in the Gd2SrO4 phase. It could be concluded that doped ceria-based materials are chemically compatible with NiO during conditions typical for both the fabrication and the operation of IT-SOFC’s, whereas LSGM-type electrolytes react with NiO under the fuel cell fabrication conditions. Moreover, although La2NiO4 is a high-performance cathode, it cannot be used in combination with LSGM- or CGO-type electrolytes, due to its reactivity with both of these materials under fabrication conditions.